机械手轴向转动系统设计计算说明书.docx

机电控制系统设计与分析课程设计说明书设计题目：机械手轴向转动关节控制系统 班 级： 410703学 号： 41070330 学生姓名： 徐靖斌 指导教师： 黄海东 目录第一章 设计任务31.1 设计任务介绍3第二章 总体方案设计32.2 设计任务明细42.3 系统总体结构示意图52.4 选择合适的编码器62.5 伺服电机的选择7第三章 电气原理设计83.1 单片机的选择83.2 电气系统的基本组成9第四章 课程设计总结11第五章 参考文献12第一章 设计任务1.1 设计任务介绍从机器人诞生到本世纪80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发 展过程。到了90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。而机械手作为机器人不可或缺的一部分，其功能尤为重要！伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。电气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流（DC）伺服系统和交流（AC）伺服系统。而机械手也广泛用于各个行业. 机械手臂是目前在机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事以及太空探索等领域都能见到它的身影。尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维（或二维）空间上的某一点进行作业。 1机身；2大臂电机；3光电编码器；4大臂；5小臂电机6同步带；7光电编码器；8小臂；9手腕升降电机；10手抓电机；11手抓。第二章 总体方案设计(1)设计任务机械手轴向转动关节实际上是一个蜗轮蜗杆减速器,用带减速器的24V伺服 电机来驱动蜗杆。设计一个单片机控制器或模拟控制器,用角度传感器来检测蜗杆的转角.要求的蜗杆转角由一个受柄控制的滑线电阻给定。2.2 设计任务明细对机械手轴向转动关节结构和工作原理进行分析机械手包括抓取机构、传送机构、驱动部分、驱动部分、控制部分以及其他部分如机体、行走机构、行动检测装置和传感装置等。其中各部分的具体作用如下： 抓取机构：包括手指、传力机构等，主要抓取和放置物件作用。 传送机构：包 括手腕、手臂等，主要改变物件方位和位置的作用。 驱动部分：是驱动前两部分的动力，因此也称动力源，常用的有液压、气压、电气和机械式驱动四部分。 控制部分：是机械手动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序（程序）、位置和时间（甚至速度和加速度）等。 机体（也称机身） 是用来支撑和连接其它零件、部件的基础件。 行走机构 是为了扩大机械手的使用空间而设置的。它本身又包括动力源、传动（减速）机构、滚轮或连杆机构等。目前大多数机械手还缺乏行走机构。 行动检测装置 是检测和控制机械手各运动行程（位置）的装置。 传感装置 其中装有某种传感器，使手指具有敏感性和自控性，用以反映手指与物体是否接触、物体有无滑下或脱落、物体的方位是否正确、手指对物体的握紧力是否与物体的重量相适应等。机械手的工作原理如下：多关节机械手的臂部可分为小臂和大臂。其大臂和小臂的连接（肘部）以及大臂和机体的连接（臂部）均为关节（铰链）式连接，亦即小臂对大臂可绕肘部上下摆动角。大臂可绕肩部摆动角，手臂还可以左右转动（仍定为绕Z轴转动）角。各关节均采用直流电机作为驱动装置，在机械大臂和小臂的旋转关节上还装配有磁式光电编码器，提供半闭环控制所需的反馈信号。本设计工作原理机械手轴向转动关节实际上是一个蜗轮蜗杆减速器，用带减速器的24V伺服电机来驱动蜗杆，蜗轮带动机械手主轴转动，从而带动机械手工作；同时角度传感器将角度值转换成模拟量，经A/D，D/A转换器，磁式旋转编码器，最后将信号反馈给单片机，同时单片机通过信号输出根据反馈来的信号来调整功率放大器，从而调整伺服电机的输出。第二章 总体方案的确定2.3 系统总体结构示意图 控制系统采用单片机控制，滑线电阻手柄控制转角角度，转角传感器测量涡轮轴的实际转角，通过反馈电路与给定值进行比较，给定值与实际值之间的差距通过单片机计算给以伺服电机驱动信号进行补偿。其中滑线电阻的模拟信号要经过模数转化器的信号转换，才能被单片机识别，单片机给出的控制伺服电机的控制信号也要经过数模转换器的转换才能被伺服电机识别。伺服电机需要外接电源给以功率的驱动。涡轮轴的转角通过一对同模数同齿数的齿轮传动给转角传感器。如下图所示：手柄A/D反馈电路单片机D/A励磁电路2.4 选择合适的编码器编码器：编码器输出表示位移增量的编码器脉冲信号，并带有符号。根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，分为增量式编码器和绝对式编码器。作为机器人位移传感器，光电编码器应用最为广泛。a 光电编码器的圆盘上有规则地刻有透光和不透光的线条，在圆盘两侧，安放发光元件和光敏元件。当圆盘旋转时，光敏元件接收的光通量随透光线条同步变化，光敏元件输出波形经过整形后变为脉冲，码盘上有之相标志，每转一圈输出一个脉冲。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90的两路脉冲信号。b 绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。c 磁编码器在强磁性材料表面上记录等间隔的磁化刻度标尺，标尺旁边相对放置磁阻效应元件或霍尔元件，即能检测出磁通的变化。与光电编码器相比，磁编码器的刻度间隔大，但它具有耐油污、抗冲击等特点。本设计中选用磁式旋转编码器 磁旋转编码器的工作原理 磁旋转编码器的基本结构如图所示图中给出了增量式磁旋转编码器的典型结构，主要部分由磁阻传感器探头、充磁磁鼓、信号处理电路和机械结构组成。将磁鼓刻录成等间距的小磁极，磁极被磁化后，旋转时产生周期分布的空间漏磁场。磁传感器探头通过磁电阻效应将变化着的磁场信号转化为电阻阻值的变化，在外加电势的作用下，变化的电阻值转化成电压的变化，经过后续信号处理电路的处理，模拟的电压信号转化成计算机可以识别的数字信号，实现磁旋转编码器的编码功能 2.5 伺服电机的选择1、伺服电机的优点： 大扭力、控制简单、装配灵活、相对经济，但它亦有着先天的不足：首先 它是一个精细的机械部件，超出它承受范围的外力会导致其损坏，其次它内藏电子控制线路，不正确的电子连接也会对它造成损毁，因此，很有必要在使用前先了解伺服电机的工作原理，以免造成不必要的损失。 2、伺服电机的工作原理： 一伺服电机是一个典型闭环反馈系统，其原理可由下来表述： 减速齿轮组由电机驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而达到使伺服电机精确定位的目的。3、伺服电机的控制标准的伺服电机有三条控制线，分别为：电源、地及控制。电源线与地线用于提供内部的直流电机及控制线路所需的能源，电压通常介于4V6V之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离（因为伺服电机会产生噪音）。甚至小伺服电机在重负载时也会拉低放大器的电压，所以整个系统的电源供应的比例必须合理。输入一个周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms 2ms之间，而低电平时间应在5ms到20ms之间，并不很严格. 简单的说伺服电机用在控制精度要求比较高的地方(比如机器人的手)。本设计选用 ADP系列ADP-263交流伺服电动机 ADP系列非磁空心杯转子两相伺服电动机可用于自动控制系统中作执行元件。由于转子惯量小，电动机具有灵敏度高、运转平稳、噪音低等优点。电动机用机壳外圆和凸肩定位，水平安装。参数如下所示：型号 励磁电压 频率HZ 功率 转速rpmADP-263 110V 500 24W 6000第三章 电气原理设计3.1 单片机的选择单片机就是将CPU，存储器，I/O接口和总线制作在一块芯片上的超大规模集成电路。这里我们选择的是Intel公司常用的单片机产品，选用MCS-51系列。单片机选取原则：一个单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等，要设计合适的接口电路:、尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。 、系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。 、硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实殃，以简化硬件结构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用CPU时间。 、系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。如选用CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。 、可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分，它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。 、单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠，可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。 、尽量朝“单片”方向设计硬件系统。系统器件越多，器件之间相互干扰也越强，功耗也增大，也不可避免地降低了系统的稳定性。根据单片机的选取原则再加上实际情况的考虑，我们选择常用的MCS-51系列的其中型号为8051的单片机。8051单片机在一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分：一个八位的微处理器CPU；4Kbde用以存放程序，原始数据和表格的片内程序存储器；256Bde片内数据存储器，用于存放数据，运算结果等；2个16位的定时/计数器T0和T1；4个8位并行的I/O接口P0P3；5个中断源的中断控制；一个全双工的串行口，完成单片机与其他微机之间的串行通信。而以上各部分通过总线连接。3.2 电气系统的基本组成 18051单片机8051 CPU是一块具有40条引出线的集成电路芯片，其各引出线的定义如图2.3所示。为了减少芯片的引线，有许多引线具有双重定义和功能，采用分时复用方式工作，即在不同时刻，这些引线上的信号是不相同的。8051引脚图：2数模转换器（DAC0832）一个信号链系统主要由模数转换器ADC、采样与保持电路和数模转换器DAC组成，DAC，简单来讲就是数字信号输入，模拟信号输出，即它是一种把数字信号转变为模拟信号的器件。DAC0832是一个8位的数、模转换芯片，内部包含一个T型电阻网络，输出为差动电流信号，因此要想得到模拟电压输出，必须外接运算放大器。DAC0832引脚图：3.运算放大器运算放大器(简称运放)是一种多端元件。一般放大器的作用是把输入电压放大一定倍数后再输送出去,其输出电压与输入电压的比值称为电压放大倍数或电压增益。 运放是一种高增益（可达几万倍甚至更高）、高输入电阻、 低输出电阻的放大器。由于它能完成加法、积分、微分等数学运算而被成为运算放大器。4.PWM功率放大器PWM功率放大器主要由前置放大器、三角波发生器、PWM产生器、光电隔离器和H桥功放五部分组成。主要性能指标：电机电压：60V；连续工作电流：5A；开关频率：50kHZ（可调整）性度：小于3%；对称度：小于3%；输入电压：10V10V；工作温度：4085摄氏度。PWM调速系统特点：频带宽、频率高: 晶体管“结电容”小，开关频率远高于可控（50Hz)， -10KHz。快速性好。电流脉动小: 由于PWM调制频率高，电机负载成感性对电流脉动作用，波形系数接近于1。电源的功率因数高: SCR系统由于导通角的影响，使交流电源的波形畸次谐波的干扰，降低了电源功率因数。 PWM直流电源为不受控的整流输出，功率因数高。动态硬度好: 校正瞬态负载扰动能力强，频带宽，动态硬度高。第四章 课程设计总结在这个学期的前四周，我们进行了机械手轴向转动关节控制系统的课程设计。这是我第一次系统地，完整的接触电路，控制系统和软件设计的全过程。从最开始的收集资料，方案设计，原理电路设计，到最后的程序设计，可谓涉及到方方面面，在设计的过程中，包括了大学四年所学的课程，画图所涉及到的工程图学，设计过程中所涉及的机械原理，机械设计，材料力学，机械制造课程基础，机电控制系统等课程，还有编程软件所涉及到的计算机软件等方面的知识，四年所学在最后的课程设计中来了一个大归纳，对以前所学的知识有了一个巩固，加深了对以前所学知识的理解。这次的课程设计，在老师的指导下，没有什么可以参考的原图，不像以往的课程设计，我们这一组甚至连实物都没有刻意参考的，所以这一次的课程设计在很大程度上是根据我们自己的想象，再加上根据设计手册和国家标准的要求，还有课程设计指导书的要求，一步步地画出来，组合起来的。自己设计出来以后，在很多地方都存在缺陷或设计上的漏点，老师看过之后再给我们提出意见或者我们没有注意到的不足的地方，一次一次的修